JPH11165263A - 多結晶質ダイヤモンド切削素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 炭化タングステン支持材に半球形研磨材層が
結合した新規ドーム形多結晶質研磨材切削素子の提供。 【解決手段】 遠位端とドリルビット１２内への装着に
適合した近位端とを有する金属炭化物スタッド１６を含
んでなる切削素子において、その遠位端の上面に多結晶
質研磨材層１４を配置するに当たり、上記ドリルビット
に隣接してその上方に突き出た金属炭化物の環周部２０
が研磨材層１４で覆われないように多結晶質研磨材層１
４を配置する。かかる研磨材切削素子の幾何学的構成に
よって界面応力の制御ができ、製造コストが低減する。
岩に高い局部的応力を引き起こして割れを生じるように
設計された所定パターンのリッジを研磨材層１４に一体
成形することもできる。局部的に割れを引き起こすこと
で、より低い力で破砕作用が達成できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、研磨材粒子成形体
を組み込んだ工具に関するものであり、より詳細には、
製造が容易でしかも付着性に優れた新規境界面形状を有
する新規スタッド装着ドーム形研磨材粒子成形体に関す
る。かかる工具は、石油及びガス探鉱用及び鉱業用ドリ
ルビットに格段の有用性をもつ。

【０００２】

【従来の技術】研磨材粒子成形体は、ダイヤモンド及び
／又は立方晶窒化ホウ素のような研磨材粒子が結着して
一体強靭高強度塊を形成した多結晶質塊体である。この
ような成分は、研磨材粒子同士の自己結合、或いは粒子
間に配した結合剤、或いはそれらの組合せによって一体
に結合させることができる。例えば米国特許第３１３６
６１５号、同第３１４１７４６号及び同第３２３３９８
８号を参照されたい。支持研磨材粒子成形体（本明細書
中では複合成形体と呼ぶ）は、炭化タングステン系超硬
合金などの支持体材料に結合した研磨材粒子成形体であ
る。この種の成形体は、例えば米国特許第３７４３４８
９号、同第３７４５６２３号及び同第３７６７３７１号
に記載されている。支持体との結合は研磨材粒子成形体
の形成時又は形成後に形成できる。

【０００３】複合成形体はドリルビットにおける切削素
子として格段に有用であることが見いだされている。削
岩、耐摩耗性材料の機械加工その他高い耐磨耗性もしく
は耐摩耗性の必要とされる作業に使用されるドリルビッ
トは、概してホルダーに固定された複数の多結晶質研磨
材切削素子からなる。特に、米国特許第４１０９７３７
号及び同第５３７９８５４号には、多結晶質ダイヤモン
ド成形体を切削素子の表層に有する炭化タングステンス
タッド（支持材）が取り付けられたドリルビットが記載
されている。これら複数の切削素子は回転ドリルビット
などのドリルビットのクラウンに凹部への締り嵌めによ
って装着される。これらのドリルビットは概してドリル
加工作業中にドリルクラウンと被削材の境界に冷却水そ
の他の冷却液を供給するための手段を有している。一般
に、かかる切削素子は、焼結カーバイドもしくは超硬合
金（例えば炭化タングステンなど）のいずれかの形態を
取り得る金属炭化物の細長いピン（スタッド）を含んで
おり、そのピンの一端には研磨材粒子成形体（例えば多
結晶質ダイヤモンド）が付いていて複合成形体を形成す
る。

【０００４】先行技術文献に開示されている通り、多結
晶質ダイヤモンド層は、回転ドリルビット、ドラグビッ
ト、パーカッションビット又は機械加工ビットに使用さ
れる研磨材切削素子の切削面全体を完全に覆っている。
回転ドリルビットはローラーコーンとしても知られる。
ダイヤモンド層は切削素子を保持するドリルビットの表
面にまで広がる。これは米国特許第４１０９７３７号及
び同第５３７９８５４号に明示されている。簡単にいう
と、ダイヤモンド層は切削素子もしくは研磨素子の露出
端の露出（切削）面（もしくは半径）全体を覆ってい
る。

【０００５】不都合なことに、このような切削素子の最
終機械加工において、該素子はその外径について非常に
精密な許容差に研削される。かかる研削加工は切削素子
の炭化タングステン部分では容易に遂行し得るが、ダイ
ヤモンド層に当たると所要の許容差を維持するのが格段
に難しくなる。さらに、切削素子の機械加工に用いる研
削手段は多結晶質ダイヤモンド層によって簡単に溝がで
きてしまう。こうした研削手段が次に工具の炭化タング
ステン部に再度入ると、それらの溝によって炭化タング
ステンの仕上げに好ましからざるすじが残る。

【０００６】

【発明の概要】本発明は、炭化タングステンスタッドと
通称される炭化タングステン支持材に半球形ダイヤモン
ド層が結合した新規ドーム形多結晶質ダイヤモンド切削
素子に関する。広義には、本発明の切削素子は、遠位端
とドリルビット内への装着に適合した近位端とを有する
金属炭化物スタッドを含む。この遠位端の上面に多結晶
質研磨材層が配されているが、上記ドリルビットに隣接
してその上方に突き出た金属炭化物の環周部(annulus)
は該研磨材層で覆われないように該多結晶質研磨材層が
配置される。かかるダイヤモンド切削素子の幾何学的構
成によって界面応力の制御ができ、製造コストが低減す
る。

【０００７】本発明の別の実施形態では、岩に高い局部
的応力を引き起こして割れを生じるように設計された所
定パターンのリッジ(ridge) もしくはバンプ(bump)が上
記研磨材層に一体成形されている。局部的に割れを引き
起こすことで、破砕作用がより低い力で遂行できる。

【０００８】

【発明の実施の形態】まず添付図面について簡単に説明
しておく。図１は、ドリルビット本体内に挿入された炭
化物スタッドからなるドーム形切削素子の断面図であ
り、該スタッドはダイヤモンド層のドームを有している
が、このダイヤモンド層はドリルビット上方に金属炭化
物の環周部が露出するように配置されている。

【０００９】図２は、図１の上面図である。図３は、別
の実施形態に係る切削素子の断面図であり、この実施形
態ではダイヤモンドドームは複数の平面を有する。図４
は、別の実施形態に係る切削素子の断面図であり、この
実施形態ではダイヤモンドドームと炭化物スタッドの境
界面は角鋸歯状の輪郭を有する。

【００１０】図５は、別の実施形態に係る切削素子の断
面図であり、この実施形態ではダイヤモンドドームと炭
化物スタッドの外側境界面は平坦である。図６は、別の
実施形態に係る切削素子の断面図であり、この実施形態
では炭化物の半球形端部は複数の平面を有しており、そ
れらにダイヤモンドドームが結合している。

【００１１】図７は、別の実施形態に係る切削素子の断
面図であり、この実施形態ではダイヤモンドドームと炭
化物スタッドの境界面は外縁部における境界面が上向き
に傾いた構成の鋸歯状である。図８は、別の実施形態に
係る切削素子の断面図であり、この実施形態ではダイヤ
モンドドームと炭化物スタッドの境界面は外縁部におけ
る境界面が下向きに傾いた構成の鋸歯状である。

【００１２】図９は、別の実施形態に係る切削素子の断
面図であり、この実施形態ではダイヤモンドドームは炭
化物スタッドの中央下方に伸びた脚(pillar)を有する。
図１０ａは、別の実施形態に係る切削素子の断面図であ
り、この実施形態では実質的に平坦な炭化物先端に図１
０ｂの上面図にも示すように該先端部を直線的に横切る
角溝が付けられている。

【００１３】図１１ａは、別の実施形態に係る切削素子
の断面図であり、この実施形態では実質的に平坦な炭化
物先端に図１１ｂの上面図にも示すような環状の角溝が
付けられている。図１２ａは、別の実施形態に係る切削
素子の断面図であり、この実施形態では実質的に平坦な
炭化物先端に図１２ｂの上面図にも示すように該先端部
を直線的に横切る正弦曲線形溝が付けられている。

【００１４】図１３ａは、別の実施形態に係る切削素子
の断面図であり、この実施形態では実質的に平坦な炭化
物先端に図１３ｂの上面図にも示すような環状の正弦曲
線形溝が付けられている。図１４は、ダイヤモンドドー
ムがリッジパターンを含んでいる別の実施形態に係る切
削素子の断面図を示す。

【００１５】図１５は、図１４に示す切削素子の上面図
である。図１６は、図１４及び図１５に示したリッジの
拡大図である。図１７は、図１５に示したものとは別の
リッジパターンの上面図である。図１８は、図１５に示
したものとは別のリッジパターンの上面図である。図１
９は、図１５に示したものとは別のリッジパターンの上
面図である。

【００１６】図２０は、本発明の新規切削素子を用いた
改良ローラーコーンドリルビットの側面図である。これ
らの図面について以下詳細に説明する。従来の複合成形
体切削素子に付随する仕上げの問題を解決するため、切
削素子もしくは研磨素子の一部分だけをアンダーカット
して、アンダーカット面に多結晶質ダイヤモンドを形成
することによって、仕上げ時に従来技術の研磨素子に付
随していた仕上げの問題の解消した切削素子が得られる
ことが意外にも判明した。本発明の実施に当たり、多結
晶質ダイヤモンドが付着する炭化物支持材の一部は、支
持体の装着される回転又は機械加工ビットの表面よりも
高い位置に露出している。炭化物が露出されていると使
用中に摩滅してダイヤモンド研磨面もしくは切削面の破
損又は損失を引き起こすのではないかと従前信じられて
いたが、今では、露出炭化物支持材に影響を生じずに研
磨素子のダイヤモンド面が堀削もしくは機械加工作用を
吸収するために、そのようなことは起こらないと予想さ
れる。

【００１７】図１を参照すると、ドリルビット本体１２
（その一部だけを図示）に装着された切削素子１０が示
されている。切削素子１０はビット本体１２の凹部に締
り嵌めによって嵌合する。切削素子１０は炭化物スタッ
ド１６に固着した多結晶質ダイヤモンドドーム１４から
なる。ここで注意すべきは、ダイヤモンドドーム１４
は、ドリルビット本体１２の外面１８から上方に突き出
たスタッド１６の露出半球端部すべてを被覆してはおら
ず、炭化物環周部２０が露出されていることである。こ
れに関しては図２を参照されたい。本発明の実施におい
て、重大かつ意外な特徴は、炭化物支持材の一部分が研
磨素子もしくは切削素子のホルダーの表面よりも上方に
露出していることであり、これにより仕上げコストが実
質的に減少すると同時に従前の仕上げ作業で生じていた
ダイヤモンドドームの欠陥の発生率が低減するが、予想
に反してこの新規切削素子の切削性能や耐用寿命は劣化
しない。

【００１８】各添付図面に示した通り、多結晶質ダイヤ
モンド層の表面はドーム形、半球形、半径縮小型半球
形、或いは複数の平面の集合からなる半球形にし得る。
ダイヤモンドドームと炭化物スタッドとの境界面は、ダ
イヤモンド層と炭化物支持材との付着性を向上させるた
めの様々な形状を取り得る。次に図３を参照すると、炭
化物のピン（すなわちスタッド）２４に取り付けられた
ダイヤモンドドーム２２が滑らかな半球形ではなく、環
状をなす複数の平面を含んでいることが分かる。ここで
も炭化物の環周部２６が存在する。本明細書中におい
て、「半球形」という用語には外面の滑らかな半球形だ
けでなく、変則的外面の半球形も包含される。

【００１９】図４では、ダイヤモンドドーム３２が炭化
物スタッド３４に付着していて、炭化物環周部３６が露
出している。スタッド３４の外端は、該スタッド３４へ
のダイヤモンドドーム３２の付着性を高めるための角溝
を有する。図５では、ダイヤモンドドーム４２が炭化物
スタッド４４に付着していて、炭化物環周部４６が露出
している。ただし、この構成では、ダイヤモンドドーム
４２と炭化物スタッド４４の外側付着領域は平坦である
（平坦環周部）。

【００２０】図６では、炭化物スタッド５４の外端は頂
部が平坦で外側平坦環周部を有する。ダイヤモンドドー
ム５２はこれらの平面に付着していて、炭化物環周部５
６が露出している。図７では、炭化物ピン６４の実質的
に水平な鋸歯状端部がダイヤモンドドーム６２との境界
面を形成しており、炭化物はダイヤモンドドーム６２と
の最も外側の境界面でドリルビット本体１２から上向き
に傾いている。ここでも炭化物環周部６６が存在する。

【００２１】図８では、炭化物ピン７４の実質的に水平
な鋸歯状端部がダイヤモンドドーム７２との境界面を形
成しており、炭化物はダイヤモンドドーム７２との最も
外側の境界面でドリルビット本体１２に向かって下向き
に傾いている。ここでも炭化物環周部７６が存在する。
図９では、ダイヤモンドドーム８２が炭化物スタッド８
４内に伸びた脚８８を有する。ここでも炭化物環周部８
６が露出している。なお、脚８８はダイヤモンドドーム
８２の残りの部分よりも粗いダイヤモンドグリットから
形成し得る。

【００２２】図１０ａでは、炭化物スタッド９４は、ダ
イヤモンドドーム９２の付着性を高めるために、その実
質的に平坦な外表面を横切る角溝９８ａ〜ｃ（図１０
ｂ）を有している。ここでも炭化物環周部９６が存在す
る。図１１ａでは、炭化物スタッド１０４は、ダイヤモ
ンドドーム１０２の付着性を高めるために、その実質的
に平坦な外表面に環状の角溝１０８ａ〜ｃ（図１１ｂ）
を有している。ここでも炭化物環周部１０６が存在す
る。

【００２３】図１２ａでは、炭化物スタッド１１４は、
ダイヤモンドドーム１１２の付着性を高めるために、そ
の実質的に平坦な外表面を横切る正弦曲線形の溝１１８
ａ〜ｃ（図１２ｂ）を有している。ここでも炭化物環周
部１１６が存在する。図１３ａでは、炭化物スタッド１
２４は、ダイヤモンドドーム１２２の付着性を高めるた
めに、その実質的に平坦な外表面に環状の正弦曲線形溝
１２８ａ〜ｃ（図１３ｂ）を有している。ここでも炭化
物環周部１２６が存在する。

【００２４】図１４〜１９は、研磨材構造の変形を示す
もので、研磨材層と一体成形された所定のパターンのリ
ッジもしくはバンプが含まれる。かかるリッジは同一出
願人に係る米国特許出願第０８／６４５３９８号に開示
されている。これらのリッジは岩に高い局部的応力を引
き起こし、割れを生じるように設計されている。局部的
に割れを引き起こすことで、破砕作用がより低い力で遂
行できる。より大型のチップでどの程度大きな割れが生
じるかも予見できる。このような作用は、その本質とし
て、岩の除去体積当たりの岩同士の結合の破壊が減少す
るので、良好な切削効率を示すはずである。

【００２５】図１４を参照すると、研磨材ドーム１３２
がリッジ１３３を有しているのが分かるが、このリッジ
は図１５に図示したスポーク形パターンの一部である。
ここでも炭化物スタッド１３４に炭化物環周部１３６が
存在する。リッジ１３３の半径方向断面を図１６に示
す。リッジ１３３はドーム１３２に対して４５°の角度
を有するのが好ましい。リッジの設置及びパターンは具
体的用途に応じて決定される。研磨材ドーム１４２、１
５２及び１６２に形成した追加のリッジパターン１４
３、１５３及び１６３をそれぞれ図１７、図１８及び図
１９に示す。

【００２６】図２０は、ねじ付き端部２３２と３つのカ
ッターコーン２３４を有する金属ドリル本体２３０で構
成された慣用のローラーコーンドリルビット（当技術分
野で公知のトリコーンローラービット）を示す。各々の
カッターコーンは複数のカッター素子（すなわち符号２
３６を付した切削素子）を有する。かかる切削素子は本
発明の新規切削素子である。

【００２７】多結晶質ドーム層は好ましくは多結晶質ダ
イヤモンド（ＰＣＤ）である。ただし、本発明の範囲に
属するその他の材料として、人工及び天然ダイヤモン
ド、立方晶窒化ホウ素（ＣＢＮ）、ウルツ鉱型窒化ホウ
素、これらの組合せなどがある。多結晶質ダイヤモンド
が好ましい多結晶質層である。金属炭化物系超硬合金支
持材は慣用の組成のものであり、したがって第IVＢ族、
第ＶＢ族又は第VIＢ族金属のいずれの炭化物でもよく、
コバルト、ニッケル又は鉄或いはそれらの合金から選択
される結合剤の存在下で圧縮成形して焼結したものであ
る。好ましい金属炭化物は炭化タングステンである。

【００２８】さらに、本発明の実施に際して、ダイヤモ
ンド層の表面の形状は決定的重要性をもつものではない
が、ダイヤモンド層は基本的に半球形であるのが好まし
い。また、炭化物支持材のアンダーカット部にダイヤモ
ンド層が形成されるように炭化物支持材の表面をアンダ
ーカットするか或いはアンダーカットを付けて予備成形
することも好ましい。

【００２９】ダイヤモンド層の表面形状は円錐形でも、
半径の縮小もしくは拡大した形のものでも、チゼル形で
も、或いは非軸対称形でもよい。一般に、掘削産業で用
いられている炭化タングステンインサートの形態すべて
をダイヤモンド層の添加で向上させることができ、本発
明にしたがってビット挿入時の最終切削素子の露出外径
の一部からダイヤモンドを排除することによってさらに
改善できる。

【００３０】さらに、炭化物とダイヤモンド層の境界面
は概して、ドーム形、半球形、半径縮小形、平面、円錐
形などの任意の形態でよい。境界面は、また、平滑でも
鋸歯状でもよい。ただし、凹凸のある境界面が特に炭化
物支持材の焼結及びダイヤモンド層の形成に当たってダ
イヤモンド層と炭化物支持材の間のより良好な結合をも
たらすので好ましい。また、金属炭化物支持材の表面は
好ましくは図面に示した通りアンダーカットされる。

【００３１】前述の通り、本発明の重要な特徴は、切削
素子の装着（概して締り嵌めによる）される工具の表面
から切削素子の炭化物支持材の一部分が上方に突き出し
ていることである。仕上げ作業時に得られる予想外の有
益な効果は格別である。それと同時に、炭化物環周部を
ビット本体の上方の切削部に露出したことで予想された
悪影響は意外にも全くみられい。

【００３２】本発明を幾つかの好ましい実施形態に関連
して説明し、例示してきたが、本発明がそれらに限定さ
れないことは当業者には自明であろう。したがって、本
明細書の特許請求の範囲は、本発明の技術的思想及び技
術的範囲に属するすべての変形をカバーする。本明細書
中で引用した文献はすべて援用によって本明細書の内容
の一部をなす。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施形態に係るドーム形切削素子の
断面図

【図２】 図１に示すドーム形切削素子の上面図

【図３】 本発明の別の実施形態に係るドーム形切削素
子の断面図

【図４】 本発明の別の実施形態に係るドーム形切削素
子の断面図

【図５】 本発明の別の実施形態に係るドーム形切削素
子の断面図

【図６】 本発明の別の実施形態に係るドーム形切削素
子の断面図

【図７】 本発明の別の実施形態に係るドーム形切削素
子の断面図

【図８】 本発明の別の実施形態に係るドーム形切削素
子の断面図

【図９】 本発明の別の実施形態に係るドーム形切削素
子の断面図

【図１０】 本発明の別の実施形態に係るドーム形切削
素子の断面図（ａ）及びその上面図（ｂ）

【図１１】 本発明の別の実施形態に係るドーム形切削
素子の断面図（ａ）及びその上面図（ｂ）

【図１２】 本発明の別の実施形態に係るドーム形切削
素子の断面図（ａ）及びその上面図（ｂ）

【図１３】 本発明の別の実施形態に係るドーム形切削
素子の断面図（ａ）及びその上面図（ｂ）

【図１４】 本発明の別の実施形態に係るリッジ付き切
削素子の断面図

【図１５】 図１４に示す切削素子の上面図

【図１６】 図１４及び図１５に示すリッジの拡大図

【図１７】 本発明の別の実施形態に係るリッジパター
ンの上面図

【図１８】 本発明の別の実施形態に係るリッジパター
ンの上面図

【図１９】 本発明の別の実施形態に係るリッジパター
ンの上面図

【図２０】 本発明の新規切削素子を用いたローラーコ
ーンドリルビットの側面図

【符号の説明】

１０ 切削素子 １２ ドリルビット本体 １４ 多結晶質ダイヤモンド層 １６ 金属炭化物スタッド ２０ 金属炭化物環周部 ２３０ ドリル本体 ２３２ ねじ付き端 ２３４ カッターコーン ２３６ 切削素子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 デイヴィッド・マーク・ジョンソン アメリカ合衆国、オハイオ州、ウェスター ヴィル、ロリー・レーン、1172番 (72)発明者 フリーデル・ジークフリート・ネメイアー アメリカ合衆国、オハイオ州、グランヴィ ル、ロンドン・ストリート、2402番 (72)発明者 ブラッドリー・アール・ウィリアムズ アメリカ合衆国、オハイオ州、ワーシント ン、ライリー・アヴェニュー、544番

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 (ａ)遠位端及びドリルビット内への装着
   に適合した近位端を有する金属炭化物スタッド、及び
   (ｂ)上記遠位端の上面に配置された多結晶質研磨材層で
   あって、上記ドリルビットに隣接してその上方に突き出
   た金属炭化物の環周部は該研磨材層で覆われないように
   配置された多結晶質研磨材層を含んでなる切削素子。
2. 【請求項２】 金属炭化物スタッドと多結晶質研磨材と
   の境界面が非平面で鋸歯状である、請求項１記載の切削
   素子。
3. 【請求項３】 前記鋸歯状の境界面が直線状又は環状で
   ある、請求項２記載の切削素子。
4. 【請求項４】 金属炭化物スタッドと多結晶質研磨材と
   の境界面が非平面であって、それらの最も外側の接触部
   分がドリルビットから上向き又はドリルビットに向かっ
   て下向きに傾いている、請求項１記載の切削素子。
5. 【請求項５】 金属炭化物スタッドと多結晶質研磨材と
   の境界面が非平面であって、前記多結晶質研磨材が前記
   金属炭化物スタッドの中央下方に脚を伸ばしている、請
   求項１記載の切削素子。
6. 【請求項６】 前記多結晶質研磨材層が基本的に半球形
   である、請求項１記載の切削素子。
7. 【請求項７】 前記多結晶質研磨材の層が所定パターン
   のリッジを有している、請求項１記載の切削素子。
8. 【請求項８】 切削素子を保持するための凹部を有する
   細長いドリルビット本体の改良ドリルビットにおいて、
   上記切削素子が(ａ)遠位端及びドリルビットの凹部への
   装着に適合した近位端を有する金属炭化物スタッド、及
   び(ｂ)上記遠位端の上面に配置された多結晶質研磨材層
   であって、上記ドリルビットに隣接してその上方に突き
   出た金属炭化物の環周部は該研磨材層で覆われないよう
   に配置された多結晶質研磨材層を含んでなることを改良
   点として含む、改良ドリルビット。
9. 【請求項９】 前記ドリルビットが回転ドリルビットで
   ある、請求項８記載の改良ドリルビット。